微生物資源開發(fā)與利用演示文稿

微生物資源開發(fā)與利用演示文稿當前第1頁\共有48頁\編于星期四\17點2微生物資源開發(fā)與利用當前第2頁\共有48頁\編于星期四\17點一、微生物及其特點微生物是微小生物的總稱，一般只有借助顯微鏡才能其進行觀察。微生物病毒原核生物：真細菌、古生菌真核生物：真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、單細胞藻類、原生動物等當前第3頁\共有48頁\編于星期四\17點微生物既是人類的敵人，更是人類的朋友！

1.人類時時刻刻與微生物“共存”。是禍？是福？在近代科學中，對人類福利最大的一門科學算是微生物學了。微生物與人類關系的重要性，你怎么強調都不過分。但微生物是一把十分鋒利的雙刃劍，它們在給人類帶來巨大利益的同時也帶來“殘忍”的破壞。它給人類帶來的利益不僅是享受，而且實際上涉及到人類的生存。當前第4頁\共有48頁\編于星期四\17點（1）1664年，英國人虎克（RobertHooke）曾用原始的顯微鏡對生長在皮革表面及薔薇枯葉上的霉菌進行觀察。2.微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學的建立與發(fā)展當前第5頁\共有48頁\編于星期四\17點1676年，微生物學的先驅荷蘭人列文虎克（Antonyvanleeuwenhoek）首次觀察到了細菌。他沒有上過大學，是一個只會荷蘭語的小商人，但卻在1680年被選為英國皇家學會的會員。當前第6頁\共有48頁\編于星期四\17點（2）微生物學的奠基法國人巴斯德（LouisPasteur）（1822～1895）德國人柯赫（RobertKoch）（1843～1910）當前第7頁\共有48頁\編于星期四\17點微生物學的奠基巴斯德

(1)發(fā)現(xiàn)并證實發(fā)酵是由微生物引起的；(2)徹底否定了“自然發(fā)生”學說；化學家出生的巴斯德涉足微生物學是為了治療“酒病”和“蠶病”著名的曲頸瓶試驗無可辯駁地證實，空氣內確實含有微生物，是它們引起有機質的腐敗。(3)免疫學——預防接種首次制成狂犬疫苗(4)其他貢獻巴斯德消毒法：60～65℃作短時間加熱處理，殺死有害微生物當前第8頁\共有48頁\編于星期四\17點柯赫a）細菌純培養(yǎng)方法的建立土豆切面→營養(yǎng)明膠→營養(yǎng)瓊脂（平皿）（1）微生物學基本操作技術方面的貢獻b）設計了各種培養(yǎng)基，實現(xiàn)了在實驗室內對各種微生物的培養(yǎng)c）流動蒸汽滅菌d）染色觀察和顯微攝影當前第9頁\共有48頁\編于星期四\17點（2）對病原細菌的研究作出了突出的貢獻：a）具體證實了炭疽桿菌是炭疽病的病原菌；b）發(fā)現(xiàn)了肺結核病的病原菌；（1905年獲諾貝爾獎）c）證明某種微生物是否為某種疾病病原體的基本原則

——著名的柯赫原則1、在每一相同病例中都出現(xiàn)這種微生物；2、要從寄主分離出這樣的微生物并在培養(yǎng)基中培養(yǎng)出來；3、用這種微生物的純培養(yǎng)接種健康而敏感的寄主，同樣的疾病會重復發(fā)生；4、從試驗發(fā)病的寄主中能再度分離培養(yǎng)出這種微生物來。當前第10頁\共有48頁\編于星期四\17點3.微生物的特點個體小、結構簡、胃口大、食譜廣、繁殖快、易培養(yǎng)、數(shù)量大、分布廣、種類多、變異易、抗性強當前第11頁\共有48頁\編于星期四\17點食譜廣：微生物獲取營養(yǎng)的方式多種多樣，其食譜之廣是動植物完全無法相比的！纖維素、木質素、幾丁質、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然氣、塑料、酚類、氰化物、各種有機物均可被微生物作為糧食當前第12頁\共有48頁\編于星期四\17點繁殖快：24小時后：4722366500萬億個后代，重量達到：4722噸48小時后：2.2×1043個后代，重量達到2.2×1025噸相當于4000個地球的重量！大腸桿菌一個細胞重約10–12克，平均20分鐘繁殖一代一頭500kg的食用公牛，24小時生產(chǎn)0.5kg蛋白質,而同樣重量的酵母菌，以質量較次的糖液（如糖蜜）和氨水為原料，24小時可以生產(chǎn)50000kg優(yōu)質蛋白質。當前第13頁\共有48頁\編于星期四\17點易培養(yǎng)：很多微生物都可以非常方便地進行人工培養(yǎng)！數(shù)量大：在自然界中（土壤、水體、空氣，動植物體內和體表）都生存有大量的微生物！當前第14頁\共有48頁\編于星期四\17點變異易：個體小、結構簡、且多與外界環(huán)境直接接觸繁殖快、數(shù)量多

短時間內產(chǎn)生大量的變異后代突變率：10-5

–10-10當前第15頁\共有48頁\編于星期四\17點抗（逆）性強：抗熱：有的細菌能在265個大氣壓，250℃的條件下生長；自然界中細菌生長的最高溫度可以達到113℃；有些細菌的芽孢，需加熱煮沸8小時才被殺死抗寒：有些微生物可以在―12℃~―30℃的低溫生長抗酸堿：細菌能耐受并生長的pH范圍：pH0.5~13耐滲透壓：蜜餞、腌制品，飽和鹽水（NaCl,32%)中都有微生物生長抗壓力：有些細菌可在1400個大氣壓下生長當前第16頁\共有48頁\編于星期四\17點4.新世紀的微生物學20世紀40年代后，微生物自身的特點使其成為生物學研究的“明星”，微生物學很快與生物學主流匯合，并被推到了整個生命科學發(fā)展的前沿，獲得了迅速的發(fā)展，在生命科學的發(fā)展中作出了巨大的貢獻。微生物學與生物學發(fā)展的主流匯合、交叉，獲得了全面、深入的發(fā)展當前第17頁\共有48頁\編于星期四\17點1．微生物自身的特點（共性和特性）將會更加受到關注和利用其中：以微生物為研究材料繼續(xù)對一些基本生命現(xiàn)象進行研究；微生物產(chǎn)業(yè)的開發(fā)；重要致病菌的特點及其防治；極端環(huán)境的微生物的研究；共性：微生物具有其他生物共有的基本生物學特性：生長、繁殖、代謝、共用一套遺傳密碼等，甚至其基因組上含有與高等生物同源的基因，充分反映了生物高度的統(tǒng)一性。特性：微生物具有其它生物不具備的生物學特性，例如可在其他生物無法生存的極端環(huán)境下生存和繁殖，具有其他生物不具備的代謝途徑和功能，反映了微生物極其豐富的多樣性。微生物自身特性的進一步開發(fā)、利用：例如降解性塑料，分解纖維素、生產(chǎn)單細胞蛋白等。借助（利用）微生物特點的基因工程產(chǎn)業(yè)：利用微生物生產(chǎn)藥物、疫苗等。當前第18頁\共有48頁\編于星期四\17點二、發(fā)酵工程發(fā)酵已經(jīng)從過去簡單的生產(chǎn)酒精類飲料、生產(chǎn)醋酸和發(fā)酵面包發(fā)展到今天成為生物工程的一個極其重要的分支，成為一個包括了微生物學、化學工程、基因工程、細胞工程、機械工程和計算機軟硬件工程的一個多學科工程。現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸和面包，而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，生產(chǎn)天然殺蟲劑、細菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料，在化學工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶以及維生素和單細胞蛋白等。當前第19頁\共有48頁\編于星期四\17點發(fā)酵過程控制FERMENTATIONProcessControlFermentationengineering上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSES發(fā)酵工程組成

從廣義上講，由三部分組成：

上游工程、發(fā)酵工程、下游工程當前第20頁\共有48頁\編于星期四\17點UPSTREAMPROCESSES-菌種-菌種擴大培養(yǎng)

培養(yǎng)基配制

滅菌-接種發(fā)酵過程控制上游工程Fermentationengineering當前第21頁\共有48頁\編于星期四\17點DOWNSTREAMPROCESSES-產(chǎn)品分離提純-廢物處理副產(chǎn)物回收利用發(fā)酵過程控制下游工程

發(fā)酵工程當前第22頁\共有48頁\編于星期四\17點發(fā)酵工程技術主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(1)有嚴格的無菌生長環(huán)境：包括發(fā)酵開始前采用高溫高壓對發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及各種連接管道進行滅菌的技術；在發(fā)酵過程中不斷向發(fā)酵罐中通入干燥無菌空氣的空氣過濾技術；(2)在發(fā)酵過程中根據(jù)細胞生長要求控制加料速度的計算機控制技術；(3)種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的不同的工藝技術。當前第23頁\共有48頁\編于星期四\17點(4)在進行任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前，必須在實驗室規(guī)模的小發(fā)酵罐進行大量的實驗，得到產(chǎn)物形成的動力學模型，并根據(jù)這個模型設計中試的發(fā)酵要求，最后從中試數(shù)據(jù)再設計更大規(guī)模生產(chǎn)的動力學模型。(5)由于生物反應的復雜性，在從實驗室到中試，從中試到大規(guī)模生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)許多問題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問題。

當前第24頁\共有48頁\編于星期四\17點1、發(fā)酵的定義（1）、傳統(tǒng)發(fā)酵（2）、生化和生理學意義的發(fā)酵（3）、工業(yè)上的發(fā)酵當前第25頁\共有48頁\編于星期四\17點（2）、生化和生理學意義的發(fā)酵指微生物在無氧條件下，分解各種有機物質產(chǎn)生能量的一種方式，或者更嚴格地說，發(fā)酵是以有機物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出CO2。（1）、傳統(tǒng)發(fā)酵最初發(fā)酵是用來描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產(chǎn)過程。當前第26頁\共有48頁\編于星期四\17點（3）、工業(yè)上的發(fā)酵泛指利用微生物制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程。包括：1.厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精，乳酸等。2.通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。產(chǎn)品有細胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細胞、酶等。當前第27頁\共有48頁\編于星期四\17點適宜的微生物保證或控制微生物進行代謝的各種條件進行微生物發(fā)酵的設備精制成產(chǎn)品的方法的設備（2）獲得發(fā)酵產(chǎn)品的條件2、發(fā)酵工業(yè)（1）定義：是指利用生物的生命活動產(chǎn)生的酶對無機或有機原料進行生物加工獲得產(chǎn)品；或通過培養(yǎng)生物獲得次級代謝產(chǎn)物的工業(yè)。當前第28頁\共有48頁\編于星期四\17點3、發(fā)酵工業(yè)的范圍（1）、以微生物細胞為產(chǎn)物的發(fā)酵工業(yè)（2）、以微生物代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)（3）、以微生物酶為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)（4）、生物轉化或修飾化合物的發(fā)酵工業(yè)（5）、微生物廢水處理和其他當前第29頁\共有48頁\編于星期四\17點微生物產(chǎn)物：微生物細胞，酶，藥物活性物質，特殊化學物質和食品添加劑當前第30頁\共有48頁\編于星期四\17點1、生產(chǎn)微生物細胞物質定義：是以獲得具有多種用途的微生物菌體細胞為目的的產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)，包括單細胞的酵母和藻類、擔子菌，生物防治的蘇云金桿菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。特點：細胞的生長與產(chǎn)物積累成平行關系，生長速率最大時期也是產(chǎn)物合成速率最高階段，生長穩(wěn)定期產(chǎn)量最高。當前第31頁\共有48頁\編于星期四\17點2、微生物酶發(fā)酵酶的特點：易于工業(yè)化生產(chǎn)，便于改善工藝提高產(chǎn)量。分類：胞內酶和胞外酶生物合成特點：需要誘導作用，或遭受阻遏、抑制等調控作用的影響，在菌種選育、培養(yǎng)基配制以及發(fā)酵條件等方面需給予注意。當前第32頁\共有48頁\編于星期四\17點3、微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵包括初級代謝產(chǎn)物、中間代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物。對數(shù)生長期形成的產(chǎn)物是細胞自身生長所必需的，稱為初級代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物。各種次級代謝產(chǎn)物都是在微生物生長緩慢或停止生長時期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的，來自于中間代謝產(chǎn)物和初級代謝產(chǎn)物。當前第33頁\共有48頁\編于星期四\17點4、微生物的生物轉化定義：是利用生物細胞對一些化合物某一特定部位（基團）的作用，使它轉變成結構相類似但具有更在經(jīng)濟價值的化合物。最終產(chǎn)物是由微生物細胞的酶或酶系對底物某一特定部位進行化學反應而形成的。當前第34頁\共有48頁\編于星期四\17點5、微生物特殊機能的利用利用微生物消除環(huán)境污染利用微生物發(fā)酵保持生態(tài)平衡微生物濕法冶金利用基因工程菌株開拓發(fā)酵工程新領域。當前第35頁\共有48頁\編于星期四\17點發(fā)酵工業(yè)簡介發(fā)酵食品有機酸氨基酸核酸類物質酶制劑醫(yī)藥工業(yè)（抗生素…）飼料工業(yè)（單細胞蛋白環(huán)境工程（廢物處理）其它（冶金工業(yè)…）

FermentationIndustry

FermentedFoodsOrganicAcidsAminoAcidsNucleotidesEnzymesPharmaceutical(Antibiotics…)Feedstuff(eg.SCP)EnvironmentalApplication(WasteTreatment)Others(eg.Metallurgicalindustry)當前第36頁\共有48頁\編于星期四\17點4、發(fā)酵工業(yè)的特征發(fā)酵過程中離不開微生物的作用1、發(fā)酵原料的選擇及預處理2、微生物菌種的選育及擴大培養(yǎng)3、發(fā)酵設備選擇及工藝條件控制：常溫、常壓。種子擴大培養(yǎng)和發(fā)酵采用不同的工藝。4、發(fā)酵產(chǎn)物的分離提取5、發(fā)酵廢物的回收和利用當前第37頁\共有48頁\編于星期四\17點(1)發(fā)酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主，只要加入少量的有機和無機氮源就可進行反應?？梢岳脧U水和廢物等作為發(fā)酵的原料進行生物資源的改造和更新。(2)微生物菌種是進行發(fā)酵的根本因素，通過變異和菌種選育，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使生產(chǎn)設備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品。當前第38頁\共有48頁\編于星期四\17點(3)發(fā)酵過程一般來說都是在常溫常壓下進行的生物化學反應，反應安全，要求條件簡單。(4)發(fā)酵對雜菌的污染的防治至關重要。反應必需在無菌條件下進行。(5)由于生物體本身所具有的反應機制，能夠專一地和高度選擇性地對某些較為復雜的化合物進行特定部位地氧化、還原等化學轉化反應，也可以產(chǎn)生比較復雜的高分子化合物。當前第39頁\共有48頁\編于星期四\17點(6)發(fā)酵過程是通過生物體的自動調節(jié)方式來完成的，反應的專一性強，因而可以得到較為單一的代謝產(chǎn)物。(7)工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比，投資少，見效快，并可以取得較顯著的經(jīng)濟效益。(8)除利用微生物本身外，也可以用人工構建的遺傳工程菌進行反應。當前第40頁\共有48頁\編于星期四\17點5、發(fā)酵方法的類別與流程1、類別：根據(jù)對氧的需要區(qū)分：厭氧和有氧發(fā)酵根據(jù)培養(yǎng)基物理性狀區(qū)分：液體和固體發(fā)酵根據(jù)從微生物生長特性區(qū)分：分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵當前第41頁\共有48頁\編于星期四\17點2、發(fā)酵的流程空氣空氣凈化處理保藏菌種斜面活化擴大培養(yǎng)種子罐主發(fā)酵碳源、氮源、無機鹽等營養(yǎng)物質滅菌產(chǎn)物分離純化成品當前第42頁\共有48頁\編于星期四\17點3.工業(yè)發(fā)酵步驟和工藝流程(1)用作培養(yǎng)菌種及擴大生產(chǎn)的發(fā)酵罐的培養(yǎng)基的配制(2)培養(yǎng)基、發(fā)酵罐以及輔助設備的消毒滅菌(3)將已培養(yǎng)好的有活性的純菌株以一定量接到發(fā)酵罐中(4)將接種到發(fā)酵罐中的菌株控制在最適條件下生長并形成代謝產(chǎn)物(5)將產(chǎn)物抽提并進行精制，以得到合格的產(chǎn)品(6)回收或處理發(fā)酵過程中產(chǎn)生的廢物和廢水當前第43頁\共有48頁\編于星期四\17點菌種篩選搖瓶試驗發(fā)酵罐